Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur Interdigital Capacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) untuk Spiral Resonator (SR) Persegi pada
Frekuensi 2.4 GHz
Mochamad Yunus1*, Agustini Rodiah Mahdi2, Yamato3 Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Pakuan [email protected]1*,[email protected]2,[email protected]3
Abstrak
Perkembangan teknologi komunikasi bergerak yang sangat cepat menuntut sifat portabilitas yang tinggi. Dimensi perangkat, khususnya ystem harus tipis, kecil, dan ringan. Sehingga menjadikan ystem planar menarik untuk dikembangkan. Penelitian tentang miniaturisasi dimensi ystem planar telah banyak dilakukan. Terobosan teknologi miniaturisasi dimensi ystem planar dengan metode metamaterial banyak digunakan. Metamaterial dengan struktur spiral resonator (SR) mempunyai ystem reduksi dimensi lebih besar ystemng struktur split ring resonator (SRR). Oleh karena itu dalam pengajuan invensi ini, digunakan struktur SR yang difungsikan sebagai radiator yang meradiasikan gelombang elektromagnetik ke ruang bebas, sehingga harus dikoneksi ke ystem pencatuan. Koneksi antara radiator ystem SR dan ystem pencatuan tidak secara langsung, tetapi menggunakan proximity atau electromagnetic coupled (EMC). Hasil simulasi pada ystem pencatu tanpa rangkaian penyesuai impedansi diperoleh return loss (S11) = –15 dB, impedance bandwidth sebesar 30 MHz (S11 = –10 dB), dan gain atena sebesar –0.5 dB yang menunjukkan tidak ada radiasi gelombang elektromagnetik ke ruang bebas.
Sedangkan hasil simulasi pada ystem pencatu dengan rangkaian penyesuai impedansi diperoleh return loss (S11) = –23 dB, impedance bandwidth sebesar 42 MHz (S11 = –10 dB), dan gain atena sebesar 2.3 dB yang menunjukkan ada radiasi gelombang elektromagnetik ke ruang bebas. Terjadi perbaikan parameter return loss (S11) sebesar 8 dB, impedance bandwidth sebesar 12 MHz, dan gain atena sebesar 2.8 dB yang cukup signifikan.
Kata Kunci: Rangkaian Penyesuai Impedansi, Interdigital Capacitor, Meandered Inductor, Spiral Resonator Abstract
The very fast development of mobile communication technology demands high portability. The dimensions of the device, especially the system, must be thin, small and light. So that makes planar systems interesting to develop.
Research on the miniaturization of planar system dimensions has been widely carried out. Technological breakthroughs in miniaturization of planar system dimensions using metamaterial methods are widely used.
Metamaterials with a spiral resonator (SR) structure have a larger dimensional reduction system, namely a split ring resonator (SRR) structure. Therefore, in the application for this invention, an SR structure is used which functions as a radiator which radiates electromagnetic waves into free space, so it must be connected to a supply system. The connection between the SR radiator system and the supply system is not direct, but uses proximity or electromagnetic coupling (EMC). Simulation results on the supply system without an impedance adjustment circuit obtained return loss (S11) = –15 dB, impedance bandwidth of 30 MHz (S11 = –10 dB), and antenna gain of –0.5 dB which indicates there is no electromagnetic wave radiation into free space. . Meanwhile, the simulation results on the supply system with an impedance adjustment circuit obtained return loss (S11) = –23 dB, impedance bandwidth of 42 MHz (S11 = –10 dB), and antenna gain of 2.3 dB, which indicates that there is electromagnetic wave radiation into free space. There was an improvement in the return loss parameter (S11) by 8 dB, impedance bandwidth by 12 MHz, and antenna gain by 2.8 dB which is quite significant.
Keywords: Impedance Adjuster Circuit, Interdigital Capacitor, Meandered Inductor, Spiral Resonator
Pendahuluan
Perkembangan teknologi komunikasi bergerak menuntut dimensi perangkat yang kompak. Di sisi lain, komunikasi bergerak juga membutuhkan perangkat yang tipis, kecil, dan ringan; khususnya pada komponen antena. Untuk menjawab tuntutan tersebut, digunakan antena planar. Beberapa penelitian miniaturisasi dimensi antena planar telah dilakukan [1] – [3]. Pada umumnya reduksi dimensi antena planar dapat dilakukan dengan menggunakan material substrat dengan permitivitas tinggi. Tetapi
Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur InterdigitalCapacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) 43
Mochamad Yunus, Agustini Rodiah Mahdi, Yamato
penggunaan material dengan permitivitas tinggi mengakibatkan intensitas gelombang permukaan meningkat dan berdampak pada penurunan kinerja antena, efisiensi dan gain antena menurun, degradasi pola radiasi antena [4], [5]. Beberapa penelitian menyebutkan bahwa telah dilakukan terobosan teknologi dengan metode metamaterial untuk mereduksi dimensi antena planar [6], [7].
Material pada dasarnya dikarakteristik oleh permitivitas ( ) yang berkaitan dengan sifat listriknya dan permeabilitas (µ) yang berkaitan dengan sifat magnitnya. Berdasarkan nilai permitivitas dan permeabilitas tersebut, material diklasifikasikan menjadi empat tipe, yaitu (1) double positive (DPS) jika 0 dan µ 0; (2) double negative (DNG) jika 0 dan µ 0; (3) epsilon negative (ENG) jika 0 dan µ 0; (4) miu negative (MNG) jika 0 dan µ 0 [8]. Tipe ke (3) ENG dan (4) MNG memiliki sifat tidak mentransmisikan gelombang pada material sehingga dianggap mampu mengeleminasi gelombang permukaan [9]. Tipe (4) MNG lebih cocok digunakan dalam desain antena Planar karena mempunyai sifat magnetik yang dominan. Dalam literatur, MNG memiliki struktur split ring resonator (SRR) dan spiral resonator (SR). Struktur SR mempunyai faktor reduksi lebih besar dibanding dengan SRR [10], [11]. Oleh karena itu, dalam penelitian ini, digunakan struktur SR.
Namun, beberapa penelitian mengatakan bahwa dalam desain antena planar struktur spiral resonator (SR) sulit diperoleh kesesuaian impedansi antara antena dan saluran [5]. Faktor kesesuaian impedansi ini sangat penting karena mempengaruhi karakteristik radiasi antena secara keseluruhan, di antaranya gain dan efisiensi antena, perolehan impedance bandwidth.
Ali Azimi Fashi et.al [1] dalam penelitiannya mendesain antena menggunakan metamaterial left–
handed (LH) pada frekuensi tengah 3,94 GHz seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. (a) Antena susun ZOR dua elemen; (b) perbandingan antena susun ZOR dan patch konvensional [1].
Model yang didesain mampu mereduksi dimensi antena hingga 57 % dengan metode zero orde resonator (ZOR). Ukuran antena ditentukan oleh beban reaktansi dalam unit sel dan ruang antar elemen Yan Li et. al. [14] melakukan penelitian dengan merancang antena mikrostrip susun delapan elemen linier dengan sistem pencatuan menggunakan struktur composite right left handed–
transmission line (CRLH–TL) seperti ditunjukkan pada Gambar 2..
Gambar 2. Antena susun 8 elemen dengan pencatuan struktur CRLH–TL: (a) pola rangkaian; (b) rangkaian ekivalen sel unit; (c) hasil fabrikasi antena susu 8 elemen pencatuan struktur CRLH–TL [14].
Antena mikrostrip dirancang pada substrat dengan ketebalan 2 mm, r = 2,55; jarak antar sel unit masing-masing 6,5; 7,4; 6,62 mm. Lebar interdigital electrode 200 µm dan ada 4 pasang electrode
(c)
ISSN (p) : 2302-5883 ISSN (e) : 2550-0899 Vol.11 No.1 Mei 2023, 42 - 50 yang berdekatan adalah berbeda untuk mendapatkan penyesuaian impedansi yang baik dengan saluran transmisi utama.
Hasil simulasi menunjukkan bandwidth lebih lebar 13 % untuk VSWR ≤ 1,6 pada frekuensi tengah 2,9 GHz. Pola radiasi mempunyai level sidelobe kurang dari –10 dB bekerja pada band 2,84 – 3,08 GHz. Gain antenna lebih dari 13 dBi. Ukuran antenna dapat direduksi hingga 18% dibanding antena susunan dengan pencatuan konvensional.
(a)
(b)
Gambar 3. Perbandingan Struktur MSRR dan SR : (a) Frekuensi Resonansi terhadap Jumlah Ring N pada MSRR; (b) Frekuensi Resonansi terhadap Jumlah Putaran Spiral N pada SR [10]
[11]
Bilotti [10], [11] dalam penelitiannya membahas tentang perubahan frekuensi resonansi terhadap jumlah ring pada MSRR atau jumlah putaran spiral pada SR yang diperoleh dari rangkaian ekivalen masing–masing.
Berdasarkan rangkaian ekivalen tersebut, dapat diperoleh resistansi, induktansi, kapasitansi, impedansi efektif, dan permeabilitas efektif masing–masing MSRR dan SR. Struktur SR mempunyai reduksi dimensi lebih baik dibandingkan dengan struktur MSRR ditunjukkan pada Gambar 3. Struktur MSRR dan SR mampu mereduksi dimensi secara linier masing–masing hingga 0/30– 0/40 dan
Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur InterdigitalCapacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) 45
Mochamad Yunus, Agustini Rodiah Mahdi, Yamato
0/65– 0/250. Dalam tinjauan ini, belum ditemukan pembahasan tentang karakteristik radiasinya.
Metode Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Pakuan, Bogor dan di Laboratorium Telekomunikasi Radio dan Gelombang Mikro (LTRGM), STEI – ITB dengan beberapa fasilitas alat ukur dan peralatan yang menunjang untuk dilakukannya penelitian terkait analisis, desain simulasi dan pengukuran Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur Interdigital Capacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) untuk Spiral Resonator (SR) Persegi pada Frekuensi 2.4 GHz. Fasilitas alat ukur dan peralatan pendukung, tersebut antara lain:
Vector Network Analyzer (VNA)
Terdapat 2 buah VNA yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu tipe Agilent E5062A dengan rentang frekuensi 30kHz–3GHz. VNA ini dapat digunakan untuk mengukur parameter hamburan (S parameter) dari rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur Interdigital Capacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) untuk Spiral Resonator (SR) Persegi pada Frekuensi 2.4 GHz. Tipe VNA kedua memiliki frekuensi kerja yang lebih tinggi, yakni dari 50MHz – 13,5GHz. Gambar 4 memperliharkan VNA Agilent E5062A yang akan digunakan.
Gambar 4. Vector Network Analyzer tipe Agilent E5062A
(1) Antena Referensi
Antena referensi yang digunakan untuk keperluan pengukuran pola radiasi berbentuk horn seperti ditunjukkan pada Gambar 5.
(2) Ruang Kedap Pantul (Unechoic Chamber)
Ruang kedap pantul yang digunakan untuk mengukur pola radiasi dan gain Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur Interdigital Capacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) untuk Spiral Resonator (SR) Persegi pada Frekuensi 2.4 GHz seperti ditunjukkan pada Gambar 5.
(3) Mounting Prototipe yang Diukur
(a) (b)
Gambar 5. (a) Ruang kedap pantul (anechoic chamber); (b) Antena horn sebagai antena referensi dalam ruang kedap pantul
ISSN (p) : 2302-5883 ISSN (e) : 2550-0899 Vol.11 No.1 Mei 2023, 42 - 50 Tempat (mounting) dalam ruang kedap pantul (anechoic chamber) untuk meletakkan prototipe Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur Interdigital Capacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) untuk Spiral Resonator (SR) yang akan diukur ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Tempat (mounting) prototipe yang diukur
Tahapan – tahapan kegiatan penelitian sebagai berikut :
(1) Tahap pertama dilakukan desain/simulasi Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur Interdigital Capacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) untuk Spiral Resonator (SR) Persegi pada Frekuensi 2.4 GHz.
(2) Tahap pengulangan desain/simulasi Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur Interdigital Capacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) untuk Spiral Resonator (SR) Persegi pada Frekuensi 2.4 GHz.
(3) Perancangan ulang (simulasi ulang) sampai diperoleh spesifikasi yang diinginkan.
(4) Fabrikasi dan pengukuran hasil desain/simulasi Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur Interdigital Capacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) untuk Spiral Resonator (SR) Persegi pada Frekuensi 2.4 GHz.
(5) Keluaran lainnya adalah Publikasi Nasional/Internasional dan sebuah dokumen pengajuan Kekayaan Intelektual (KI) Paten Sederhana yang sedang diajukan oleh Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat Universitas Pakuan ke Direktorat Jenderal Kekayaan Intelektual Kemenkumham RI.
Hasil dan Pembahasan
Sulitnya memperoleh kesesuaian impedansi antara saluran dan antena pada antena planar struktur SR mendorong untuk menciptakan suatu rangkaian penyesuai impedansi (impedance matching circuit).
Dua topologi rangkaian penyesuai impedansi yang dapat dipilih, yaitu rangkaian penyesuai impedansi untuk daerah frekuensi 0,8 – 1,1 GHz dan untuk daerah frekuensi 0,8 GHz – 2,4 GHz. Rangkaian penyesuai impedansi untuk daerah frekuensi 0,8 – 1,1 GHz digunakan pada bandwidth sempit, sedangkan rangkaian penyesuai impedansi untuk daerah frekuensi 0.8 GHz – 2.4 GHz digunakan pada bandwidth antena yang diusulkan dalam penelitian ini. Rangkaian penyesuai disisipkan ke dalam saluran pencatu antena yang diusulkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Kapasitansi Interdigital Capacitor (IDC) dan induktansi Meandered Inductor (MI) masing–masing diperoleh melalui metode empiris dan pendekatan analitis [12], [13]. Secara simulasi diperoleh desain seperti ditunjukkan dalam Gambar 7 berikut.
Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur InterdigitalCapacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) 47
Mochamad Yunus, Agustini Rodiah Mahdi, Yamato
Gambar 7. Rangkaian Penyesuai Impedansi pada Antena Planar Struktur SR dalam Bentuk Simulasi 2D:
(a) Lapisan atas; (b) Lapisan bawah.
Hasil simulasi menggunakan Microwave Studio pada sistem pencatu tanpa rangkaian penyesuai impedansi seperti ditunjukkan pada Gambar 10(a) diperoleh return loss (S11) = –15 dB, impedance bandwidth sebesar 30 MHz (S11 = –10 dB), dan gain atena sebesar –0.5 dB yang menunjukkan tidak ada radiasi gelombang elektromagnetik ke ruang bebas [6], [7]. Untuk memperbaiki return loss (S11), impedance bandwidth, dan gain antena, sebuah rangkaian penyesuai impedansi (impedance matching circuit) disisipkan dalam saluran pencatu. Setelah disimulasi seperti ditunjukkan pada Gambar 8, dapat diamati bahwa return loss (S11) = –23 dB, impedance bandwidth sebesar 42 MHz (pada S11 = –10 dB), dan gain atena sebesar 2.3 dB yang menunjukkan ada radiasi gelombang elektromagnetik ke ruang bebas.
Gambar 8. Perbandingan Return Loss (S11) antara Sistem Pencatu tanpa dan dengan Rangkaian Penyesuai Impedansi
Terjadi perbaikan parameter return loss (S11) sebesar 8 dB, impedance bandwidth sebesar 12 MHz, dan gain atena sebesar 2.8 dB yang cukup signifikan. Perbandingan return loss (S11) antara sistem pencatu tanpa dan dengan rangkaian penyesuai impedansi ditunjukkan pada Gambar 8 dan
Radiator antena SR
Feeder konektor
Feeder antena IDC
IDC
MI MI
Rangkaian penyesuai impedansi
GAMBAR SIMULASI
30 mm
m 30 m
Keterangan:
IDC= Interdigital Capacitor MI =Meandered Inductor 3.1
m 0.5m m m
( ) a ( b )
-25 -20 -15 -10 -5 0
2 2 , 1 2 , 2 2 , 3 2 , 4 2 , 5 2 , 6 2 , 7 2 , 8 S
11
) dB
(
Frekuensi (GHz)
TANPA RANGKAIAN PENYESUAI DENGAN RANGKAIAN PENYESUAI
ISSN (p) : 2302-5883 ISSN (e) : 2550-0899 Vol.11 No.1 Mei 2023, 42 - 50 Gambar 9. Perbandingan Gain Antena Pada Bidang X–Z
Untuk memvalidasi hasil simulasi tersebut, dilakukan fabrikasi desain rangkaian penyesuai impedansi pada sistem antena planar struktur SR seperti ditunjukkan pada Gambar 10.
Gambar 10. Bentuk Fisik: (a) Spiral Resonator (lapisan atas); (b) Pencatu dengan Rangkaian Penyesuai Impedansi (lapisan bawah)
Radiator antena SR
Feeder konektor
Feeder antena IDC
IDC
MI MI
Rangkaian penyesuai impedansi
( a ) ( b )
Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur InterdigitalCapacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) 49
Mochamad Yunus, Agustini Rodiah Mahdi, Yamato
Gambar 11. Perbandingan Return Loss (S11) antara Hasil Simulasi dan Pengukuran Sistem Pencatu dengan Rangkaian Penyesuai Impedansi pada Sistem Antena Planar
Struktur SR
Dari Gambar 11 dapat diamati bahwa hasil simulasi dan pengukuran return loss (S11) menunjukkan kemiripan atau kesamaan, yang mengindikasikan dapat dipertanggung-jawabkan hasilnya.
Kesimpulan
Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur Interdigital Capacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) telah dijelaskan dan diimplementasikan menggunakan untuk Spiral Resonator (SR) Persegi pada Frekuensi 2.4 GHz. Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur Interdigital Capacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) untuk Spiral Resonator (SR) Persegi pada Frekuensi 2.4 GHz telah disimulasi dan difabrikasi untuk diukur guna menunjukkan kelayakan Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur Interdigital Capacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI) dalam memperbaiki parameter return loss dan meningkatkan gain antena SR pada frekuensi 2.4 GHz. Hal ini menunjukkan bahwa Rangkaian Penyesuai Impedansi Struktur Interdigital Capacitor (IDC) dan Meandered Inductor (MI mampu memperbaiki parameter return loss dan meningkatkan gain antena SR pada frekuensi 2.4 GHz.
Hasil simulasi dan pengukuran menunjukkan dalam memperbaiki parameter return loss sebesar 8 dB, impedance bandwidth sebesar 12 MHz, dan gain atena SR sebesar 2.8 dB pada frekuensi 2.4 GHz yang cukup signifikan.
Referensi
[1] Ali Azimi Fashi et al., “A Novel Small Resonant Antenna Using the Meta-materials Array”, PIERS Proceedings, Moscow, Russia, August 18{21, 2009, pp 670–674.
[2] Buell K et.al., “A Substrate for Small Patch Antennas Providing Tunable Miniaturization Factors”, IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol. 54, No. 1, January 2006.
[3] Constantine A. Balanis, “Antenna Theory Analysis And Design”, John Wiley & Sons, Inc., New Jersey, 2005.
-24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0
5
1 , 1 , 7 1 , 9 2 , 1 2 , 3 2 , 5 2 , 7 2 , 9 3 , 1 3 , 3 3 , 5 S
11
dB )
(
Frekuensi (GHz)
PENGUKURAN SIMULASI
ISSN (p) : 2302-5883 ISSN (e) : 2550-0899 Vol.11 No.1 Mei 2023, 42 - 50 Ring Resonators For The Realization Of Miniaturized Metamaterial Samples”, IEEE Transactions On Antennas And Propagation, Vol. 55, No. 8, August 2007.
[5] Filiberto Bilotti, Alessandro Toscano, Lucio Vegni, Koray Aydin, Kamil Boratay Alici, and Ekmel Ozbay, “Equivalent-Circuit Models for the Design of Metamaterials Based on Artificial Magnetic Inclusions”, IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol. 55, No.
12, December 2007.
[6] Goran, S., Zivanov, L. and Mirjana, D., “Compact Form of Expression for Inductance Calculation of Meander Inductors”, Serbian Journal of Electrical Engineering, 2004, 1, 57-68.
[7] Jehad, A., Majid, K. and Nihad, D., “Synthesis of Interdigital Capacitor Based on Particle Swarm Optimization (PSO) and Artificial Neural Network (ANN)”, International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, 2006, 16, 322-330.
[8] Ki Young Kim, “Guided and Leaky Modes of Circular Open Electromagnetic Waveguides:
Dielectric, Plasma, and Metamaterial Columns”, PhD Thesis, Department of Electronics, Major in Wave Propagation Engineering The Graduate School, Kyungpook National University, Dec 2004.
[9] Nader Engheta, Richard W. Ziolkowski, Metamaterial : “Physics and Engineering Explorations”, IEEE Press, John Wiley & Sons Inc., 2006.
[10] Reza Azadegan, and Kamal Sarabandi, “A Novel Approach For Miniaturization of Slot Antennas”, IEEE Transactions On Antennas And Propagation, Vol. 51, No. 3, March 2003.
[11] Volakis L. John, “Antenna Engineering Handbook”, Mc Graw Hill, Fourth Edition, 2007.
[12] Yan Li, Shanjia Xu, “A Novel Microstrip Antenna Array Fed with CRLH-TL Structure”, IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 2006, Albuquerque, NM, 09-14 July 2006.
[13] Yunus M., Zulkifli F.Y., Rahardjo E.T., “Radiation Characteristics of a Novel μ Negative Metamaterial Spiral Resonator Antenna at the 2.4 GHz”, Open Journal of Antennas and Propagation, 2016, Scientific Research Publishing Inc., Vol 4, No.1-11.